Gần đây mình xem youtube có thấy 1 vài thí nghiệm về 1 thứ gọi là “lửa lạnh”. Nó nghe rất nghịch lý. Làm thế nào mà lửa, 1 thứ nóng, lại có thể trở nên lạnh được? Đó là điều mình sẽ khám phá trong bài blog này.

Lửa là gì?

Để có thể hiểu được lửa là gì, chúng ta cần hiểu plasma là gì. Plasma là trạng thái vật chất thứ 4, ngay sau khí. Khi mà khí trở nên cực nóng, các hạt electron trong chất khí đó có đủ năng lượng để tách khỏi nguyên tử của chúng và chuyển động tự do. Các hạt nguyên tử sẽ trở nên tích điện do chúng thiếu electron và chúng tạo ra 1 khối các nguyên tử tích điện.

Lửa được coi là plasma 1 phần bởi vì lửa có độ ion hóa khá thấp do nó có số lượng nguyên tử ion khá thấp so với số lượng nguyên tử trong khí bị đốt. Mặc dù lửa được coi là plasma hạng thấp so với 1 thứ khác như là sấm chớp, nó vẫn có nhiệt độ khá cao.

1 concept rất quan trọng về plasma là plasma có 2 set nhiệt độ:

  • Nhiệt độ electron
  • Nhiệt độ ion/nguyên tử

Bởi vì lửa được châm bằng phương thức sinh ra nhiều năng lượng, nguyên tử trong phản ứng sẽ trở nên rất nóng và các electron sẽ bắt đầu tách rời và di chuyển. Điều này thường xảy ra trong đa số plasma. Nếu như mình cho thêm năng lượng vào plasma, nhiệt độ của các hạt nguyên tử sẽ tăng lên. Đây được gọi là plasma nóng (tên khoa học của nó là “Plasma cân bằng” bởi vì nhiệt độ của nguyên tử và electrong bằng nhau).

Plasma trên diêm

Nhưng đây không phải lựa chọn làm plasma duy nhất. Nếu như mình tích đủ năng lượng để có thể làm nóng electron và giữ nguyên tử lạnh thì mình sẽ có plasma với nhiệt độ electron ở khoảng 3 - 15 nghìn độ. Đây được gọi là plasma lạnh (tên khoa học của nó là “Plasma không cân bằng” bởi vì các hạt nguyên tử ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với các hạt electron. Độ chênh lệch này sẽ làm giảm nhiệt độ trung bình của plasma). Nếu như mình chạm vào plasma này thì nó sẽ cảm thấy lạnh thay vì nóng bởi vì các hạt electron có trọng lượng quá nhỏ để động năng của chúng có thể truyền nhiệt tới vật lớn hơn.

Đó là lý do vì sao mà chạm vào plasma lạnh sẽ không làm hại mình

Ngón tay chạm vào plasma lạnh

Cách plasma lạnh được tạo ra

Với kiến thức về plasma và plasma lạnh, làm thế nào để mình có thể tạo ra plasma lạnh?

Những người đã nghịch với điện cao thế sẽ biết là nguồn có hiệu điện thế cao sẽ cho phép mình kéo 1 dòng plasma ra khi mà mình cho dây điện đến đủ gần. Nếu như bạn chưa thấy cái này bao giờ thì có thể xem video này

Điều này xảy ra bởi vì các hạt electron trong dây dẫn điện có đủ năng lượng để nhảy ra khỏi dây dẫn qua 1 khoảng khá xa tới dây tiếp địa để giải tỏa năng lượng. Khi mà dây dẫn đến gần nhau, các hạt electron có đủ năng lượng để nhảy qua khoảng cách nhỏ hơn, hiện tượng này sẽ làm ion hóa các phân tử của không khí xung quanh dây dẫn, cho phép nhiều electron nhảy qua hơn. Hiện tượng này làm phân tử không khí đã bị ion hóa có thể dẫn điện được bởi vì các hạt electron của không khí bị “knock” ra ngoài, việc này cho phép các hạt electron từ dây điện có thể đi qua các vùng không khí bị ion hóa này dễ dàng hơn. Càng nhiều hạt electron, không khí càng bị ion hóa, và điều này sẽ làm mọi thứ xung quanh trở nên nóng hơn.

Chúng ta có thể sử dụng hiện tượng này để tạo ra 1 dòng plasma ổn định. Chúng ta có thể làm nó ổn định hơn bằng cách tăng hiệu điện thế như điều đó khá nguy hiểm và tốn nhiều năng lượng, thế nên thay vì làm thế, chúng ta có thể tăng tần số của dòng điện xoay chiều để có thể tạo ra plasma ổn định hơn (tần số của dòng điện xoay chiều nên ở trong vùng radio tần số thấp)

1 bộ biến áp của lò vi sóng chạy bằng điện từ đường dây điện của thành phố chạy ở khoảng 60Hz (60 lần/giây). Khoảng cách các hạt electron có thể nhảy có tỉ lệ thuận với hiệu điện thế và 60Hz sẽ tạo ra khoảng thời gian chờ lớn hơn giữa các đỉnh hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều. Các đỉnh của dòng điện xoay chiều là các khoảng thời gian mà các hạt electron có nhiều năng lượng nhất và có thể nhảy xa nhất. Bằng các tăng tần số, dòng điện xoay chiều sẽ có thời gian đợi giữa các đỉnh ngắn hơn, có nhiều lần các hạt electron có thể nhảy với nhiều năng lượng nhất.

Hiện tượng này được gọi là “Hiệu ứng trường xa”. Nếu như mình tăng tần số lên tầm tần số radio thấp, dây dẫn sẽ bắt đầu tạo các sóng radio mà có thể tiếp thêm năng lượng cho các hạt electron. Càng nhiều năng lượng thì electron càng nhảy xa.

Để làm plasma lạnh, mình có thể tận dụng hiện tượng này bằng cách điều hướng các hạt electron qua 1 ống cách điện. Ống cách điện này cũng sẽ có chứa khí dễ bị ion hóa như là heli hoặc argon. Các hạt electron có thể dễ dàng ion hóa khí này và biến nó thành plasma.

Bởi vì không có đủ năng lượng để làm nóng các hạt nguyên tử trong khí trong thời gian ngắn, các hạt electron sẽ hấp thụ đa số năng lượng đó và tạo ra plasma lạnh.

Tại sao lại cần plasma lạnh?

Plasma lạnh có 1 vài công dụng rất hữu ích:

  • Plasma lạnh có chứa rất nhiều các hạt tích điện dễ phản ứng. Những hạt này có thể nhanh chóng tiêu diệt các vi sinh vật. Tức là plasma lạnh có thể được dùng để sát trùng mà không làm ảnh hưởng đến thứ đang bị sát trùng
  • Các hạt dễ phán ứng này có thể được sử dụng trong hóa học cho nhiều việc khác nhau (như là tách các chất hóa học)
  • Nó hay.

Tự làm plasma lạnh

Lưu ý: Làm việc với hiệu điện thế cao sẽ RẤT nguy hiểm. Nếu như không có kinh nghiệm với hiệu điện thế cao thì ĐỪNG THỬ LÀM. Nếu như làm thì hãy cẩn thận và chuẩn bị kĩ càng.

Với 1 biến áp có thể tạo ra hiệu điện thế cao với tần số cao, ống cách điện và bình khí với khí có thể bị ion hóa dễ dàng, mình có thể tạo ra plasma lạnh. Bạn có thể xem video này để có thể biết cách làm plasma lạnh: